JP2011516102A

JP2011516102A - 湿熱交換体、湿熱交換器、及びマスク

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Publication number: JP2011516102A
Application number: JP2010538254A
Authority: JP
Inventors: 昭人大村; 邦久江口; 勝由後藤
Original assignee: Furrex Co Ltd
Current assignee: Furrex Co Ltd
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2029-03-09
Also published as: WO2009125539A1; JP5444247B2

Abstract

吸気の温度と湿度を調整するために、蓄熱担体素材と吸放湿性物質とを有する呼吸用湿熱交換体であって、前記呼吸用湿熱交換体を構成する前記蓄熱担体素材の密度、表面積、空孔率、及びセル数の物性、あるいは、前記呼吸用湿熱交換体に添加される前記吸放湿性物質の、添加密度及び吸放湿能力の物性から選択した少なくとも一つの物性について、前記呼吸用湿熱交換体を通過する呼吸気の流れ方向に沿った勾配が設けられている呼吸用湿熱交換体。
【選択図】図３

Description

本発明は、呼吸用湿熱交換体、湿熱交換器、及びマスクに係わり、特に患者等が吸い込む空気等のガスの温度と湿度を適切に調整するための呼吸用湿熱交換体、湿熱交換器、及びマスクに関する。

呼吸用湿熱交換体には、例えば医療分野において患者に麻酔や人工呼吸を施すときに用いられる湿熱交換器に装填される湿熱交換体がある。また、一般に広く使用されている衛生マスクには、加湿機能を付加したものがある。

湿熱交換器は、一般に「人工鼻」とも呼ばれ、患者に麻酔や人工呼吸を施すときに、患者の気道、肺に、乾燥した空気等のガスが導入されるのを防止するために、患者が呼吸する空気等のガスの温度と湿度を適切に調整する、加温及び加湿デバイスである。

呼吸気の流通経路に湿熱交換器を設けることによって、麻酔器あるいは人工呼吸器を用いた麻酔時あるいは人工呼吸時であっても、自身の呼気が有する温度、湿度条件により近い状態の吸気を患者に導入することができる。これにより、患者の肉体的な負担を減らすことができる。

周知のように、湿熱交換器は、一般的な加温加湿器のように、能動的に吸気に熱及び水分を加えて吸気の温度と湿度を調整するものではない。湿熱交換器は、患者の呼気中にある熱と水分を自身の素材内に貯蔵し、その貯蔵した熱及び水分を患者の吸気中へ放出することによって、吸気の加温・加湿をする受動的なデバイスである。例えば、補助湿熱蓄積体を備えた湿熱交換器が、特許文献１により提案されている。

加湿マスクとして、吸水・保水力がある素材を用いて加湿性能を向上するだけでなく、発熱体を用いて能動的に加温し、加温・加湿するマスクが特許文献２により提案されている。また、呼気の熱を蓄積して吸気を暖めるのに利用する銅織布層を備えたマスクが、特許文献３、特許文献４に提案されている。

特開２００６−１３６４６１号公報特開２０００−２２５２０５号公報米国特許第５７０６８０２号明細書米国特許第６１９６２２１号明細書

上記の湿熱交換器には、吸気温度を上昇させ、あるいは吸放湿能力を向上させる機能は備えられていなかった。例えば吸気温度を上昇させるためには、能動的に加温するために発熱体を付加しなければならなかった。また上記のマスクにおいては、吸気の加温はなされるものの、吸放湿機能は備えていないので、マスク内側に水分が凝結するおそれが考えられる。

そこで本出願人は、国際特許出願公開パンフレット第ＷＯ２００８／０４４７９２Ａ１号公報により、湿熱交換器において、熱再生効率向上の手段の一つとして、湿熱交換器に装備されている担体を形成している材料の密度を、回路側よりも患者側において高くなるようにした湿熱交換器を提案した。

しかし、この湿熱交換器では、担体の蓄熱部分が吸気時には下流側になることから、放熱等による熱損失の影響を受けやすい。また、呼気中の水分が担体に吸着または吸収等される際に呼気から奪われる吸着熱または吸収熱が存在するために、呼気から担体への蓄熱が十分ではない。よって、呼気熱の損失に伴って吸気温度が所要の温度より低下することに加え、患者の吸気に付加される水分量も減少する。

したがって、湿熱交換器を介して人工呼吸器または麻酔器から患者へ送られる吸気中へ呼気熱を再生する際、湿熱交換器内部に設置される呼吸用湿熱再生体の更なる熱再生効率の向上が課題となっている。

また、前記の湿熱交換器にあっては、加温能力の向上に伴って、加湿能力にもまだ向上の余地があることが認められた。さらに、前記提案の構成によれば、湿熱交換器内部の呼吸用湿熱交換体に添加されている吸放湿性物質に貯蔵される水分量の分布に偏りが生じていることが確認された。

より詳細に説明すると、湿熱交換器の回路側では水分が放出されているのと比較し、患者側では特に水分が多く貯蔵されたままになっているため、呼吸用湿熱交換体内における局所的な水分増加によって、湿熱交換器の目詰まりを誘発しかねないという問題があることがわかった。

吸気時には、空気又はガスが湿熱交換器内を回路側から患者側に進むに従って、水分含有量が少なく乾燥している吸気(２３℃、５％以下)中に水分が放湿されていくため、湿熱交換器の患者側では相対湿度が高く、回路側では相対湿度が低い状態となり、同一吸放湿性物質では放出される水分量の分布に偏りが生じると予想される。

例えば吸放湿性物質として塩化カルシウム（ＣａＣｌ_２）を使用した場合、相対湿度が５０％の場合と８０％の場合とでは、８０％の場合のほうが、放湿率が低下するため、吸気の湿度がより高くなっている患者側では、放湿率が低下して呼吸用湿熱交換体中に蓄積する水分量が過剰になると考えられる。

したがって、湿熱交換器内の呼吸用湿熱交換体において、患者側と回路側で蓄積水分量の不均一さを軽減し、局所的な水分増加を抑えて、目詰まりを防止することが課題である。

前記のおよび他の課題を解決するために、本発明の一態様は、吸気の温度と湿度を調整するために、蓄熱担体素材と吸放湿性物質とを有する呼吸用湿熱交換体であって、前記呼吸用湿熱交換体を構成する前記蓄熱担体素材の密度、表面積、空孔率、及びセル数の物性から選択した少なくとも一つの物性の値について、前記呼吸用湿熱交換体を通過する呼吸気の流れ方向に沿った勾配が設けられており、吸気の流れの下流側において、前記密度がより高く、前記表面積、前記空孔率あるいは前記セル数がより低く設定されている呼吸用湿熱交換体である。

また、本発明の他の態様は、吸気の温度と湿度を調整するために、蓄熱担体素材と吸放湿性物質とを有する呼吸用湿熱交換体であって、前記呼吸用湿熱交換体を構成する前記蓄熱担体素材に添加される前記吸放湿性物質の、添加密度及び吸放湿能力の物性から選択した少なくとも一つの物性の値について、前記呼吸用湿熱交換体を通過する呼吸気の流れ方向に沿った勾配が設けられており、吸気の流れの上流側において、前記添加密度又は前記吸湿能力がより高く、あるいは前記放湿能力がより低く設定されている呼吸用湿熱交換体である。

また、本発明のさらに他の態様は、上記の呼吸用湿熱交換体のいずれかを備えている湿熱交換器である。

また、本発明のさらに他の態様は、使用者の口又は鼻孔周辺に配置されるマスク本体と、前記マスク本体の対向両外側端から延び出す一対の耳掛け部とを備え、前記マスク本体は、使用者の呼気及び吸気が通過するように、吸放湿性物質を担持している蓄熱担体素材を有する呼吸用湿熱交換体を設けたマスクである。

なお、吸放湿性物質は、例えば、塩化ナトリウムと塩化カルシウムとを組み合わせて用いることができるが、これに限定されるものではない。呼吸時のガスに接触させることが可能な無害な物質であって、吸放湿特性が異なる他の化合物の組み合わせを採用することも可能である。また、例えば塩化カルシウムなど、単体化合物を用いることもできる。

上記構成により、呼吸用湿熱交換体の蓄熱担体素材が密である部分が吸気時に上流となり、放熱等による熱損失を減少させることができ、呼気熱の再生効率が向上する。

さらに、水分が吸着または吸収等される際の吸着熱または吸収熱を、呼気時に下流側となる、密である蓄熱部分に貯蔵することができるので、呼気熱の再生効率が向上する。

また、呼吸用湿熱交換体の吸気の流れの上流側（人工呼吸器等の回路側）において、前記添加密度又は前記吸湿能力をより大、あるいは前記放湿能力をより小に設定したので、患者側での蓄積水分による湿熱交換体の目詰まりを防止することが可能となる。

図１は本発明の一実施形態に係る呼吸用湿熱交換体による効果を確認するための測定装置の模式的構成図である。図２は湿熱交換体の比較例である。図３は本発明の実施例１に係る湿熱交換体の一例の模式断面図である。図４は本発明の実施例１に係る湿熱交換体の他の例の模式断面図である。図５は本発明の実施例１に係る湿熱交換体のさらに他の例の模式断面図である。図６は本発明の実施例１及び比較例に係る湿熱交換体の吸気温度特性を示す図である。図７は本発明の比較例に係る湿熱交換体の模式断面図である。図８は本発明の実施例２に係る湿熱交換体の一例の模式断面図である。図９は本発明の実施例２に係る湿熱交換体の他の例の模式断面図である。図１０は本発明の実施例２に係る湿熱交換体のさらに他の例の模式断面図である。図１１は本発明の実施例２及び比較例に係る湿熱交換体の水分残量を示す図である。図１２は本発明の実施例２及び比較例に係る湿熱交換体の水分損失を示す図である。図１３Ａは本発明の実施例３に係るマスクの構成の一例を示す模式図である。図１３Ｂは本発明の実施例３に係るマスクのマスク本体の一例を示す模式断面図である。

以下、本発明の一実施形態を説明する。呼吸用湿熱交換体の用途として、湿熱交換器とマスクを例に挙げ説明する。

＝＝湿熱交換器の例＝＝
＝＝＝測定装置＝＝＝
本実施形態に係る呼吸用湿熱交換体を設けた湿熱交換器が奏する効果を、肺シミュレータを用いて構成した測定装置によって、実験で確認した。図１に、本測定装置の模式的構成図を示す。

本測定装置は患者の呼吸を模擬するものであり、肺シミュレータ１と、加温加湿器２と、人工呼吸器３と、コンプレッサ４と、三方向弁５Ａ、５Ｂと、高速応答熱電対６Ａ、６Ｂと、温湿度センサ７Ａ、７Ｂと、呼吸回路８とを備えて構成されている。

肺シミュレータ１は、患者の呼吸動作を模擬する装置である。肺シミュレータ１からは２系統のライン、吸気ラインとしてのラインＡと、呼気ラインとしてのラインＢが引き出されている。吸気ラインＡは、吸気の温度を測定するための高速応答熱電対６Ａを介して三方弁５Ａの第１のポートに接続されている。呼気ラインＢは、加温加湿器２を介して、高速応答熱電対６Ｂに接続され、さらに三方弁５Ａの第２のポートに接続されている。

三方弁５Ａの第３のポートには本実施形態に係る湿熱交換器（人工鼻）９が接続され、これはさらに他の三方弁５Ｂに接続される。

コンプレッサ４に接続された人工呼吸器３からも２系統のライン、吸気ラインとしてのラインＡと、呼気ラインとしてのラインＢが引き出されている。吸気ラインＡは、吸気の温度及び湿度を測定するための温湿度センサ７Ａを介して三方弁５Ｂの第１のポートに接続されている。呼気ラインＢは、温湿度センサ７Ｂに接続され、さらに三方弁５Ｂの第２のポートに接続されている。

三方弁５Ａ、５Ｂは、人工呼吸器３の模擬呼吸動作に同期して、吸気ラインＡと呼気ラインＢを切り換える。

肺シミュレータ１から排出された呼気は、加温加湿器２を通すことで３７℃、１００％に加温加湿され、その中に含まれる熱と水分を湿熱交換器９に排出することで、患者の呼吸機能を模擬している。

室内環境条件は、温度２３℃±１℃、相対湿度５０％±２０％に設定した。

呼吸用湿熱交換体を構成する蓄熱担体素材の密度または見かけ密度を一定にしたものをサンプル１、蓄熱担体素材の密度または見かけ密度に対し、患者側を疎、回路側を密とした密度勾配を設けたものをサンプル２とした。

各サンプルはポリウレタンフォームに塩化カルシウムを添加したものを用いた。略円筒状に形成した見かけの体積は６５cm^３〜２００cm^３の範囲内であり、塩化カルシウムの添加量は０．３〜１．５gの範囲内である。

サンプル１の形態で、は図２のようにポリウレタンフォームの密度を一定にした。その密度は５５kg/m^３である。サンプル２の形態では、図３のようにポリウレタンフォームの密度に勾配をつけた。その密度は患者側から順に３０、５５、７０kg/m^３である。

その他の構成として、蓄熱担体素材の密度または見かけ密度に対し、呼吸回路及び麻酔回路側を密、患者側を疎とした密度勾配は、図４のように各層の密度をステップ状に変化させる傾斜化や、図５のようにそれぞれの密度が異なる部分の厚みを変える階層化を採用してもよい。なお、蓄熱担体素材の表面積、空孔率、あるいはセル数について、湿熱交換器の患者側が比較的より低くなるように設定してもよい。

サンプル１とサンプル２を比較すると、図６に示すように、サンプルの熱容量を変化させても、同一熱容量のケースではサンプル２の吸気温度が高くなる。

このことから、湿熱交換器において、蓄熱担体素材の密度または見かけ密度に対し、回路側を密、患者側を疎とした密度勾配を設けることで、湿熱交換器を介して人工呼吸器または麻酔器から患者へ送られる吸気中への呼気熱の再生効率が向上することが確認できた。

次に、本発明の実施例２に係る呼吸用湿熱交換体を備えた湿熱交換器について加温加湿特性を比較するために、２種類のサンプル、サンプルＡ、サンプルＢを用意した。

・サンプルＡ
ポリウレタンフォームで略円筒状に形成した見かけ体積５２．３cm^３の蓄熱担体素材を用い、この担体には、患者側から順に密度が３０、５５、５５、７０kg/m^３に設定された４つの層、第１層〜第４層を設け、各層の厚さは５．５mmとした。すなわち、サンプルＡの蓄熱担体素材には、患者側から回路側へ向けて密度が高くなるように密度勾配が設定されている。蓄熱担体素材は、模擬呼吸気が流通する２個所の開口を設けた容器内に保持し、その容器を介して測定装置に接続した。サンプルＢについても同様である。

この蓄熱担体素材の前記各層に、塩化カルシウムを患者側から順に０．５３、０．４２、０．４２、０．５g添加した。図７に、サンプルＡの模式側面図を示す。

・サンプルＢサンプルＡと同様の密度勾配を持つ蓄熱担体素材において、患者側から第１層、第２層に塩化ナトリウムを０（添加なし）、１．０４g添加し、第３層、第４層に塩化カルシウムを０．４２、０．５g添加した。図８に、サンプルＢの模式側面図を示す。

上記測定装置を用いて、各サンプルの水分損失量を測定し、その測定結果を比較した。

本測定においては、一回換気量５００ml、呼吸回数１５回/分の模擬呼吸条件において、２０分間連続して前記サンプルＡ、Ｂに係る湿熱交換器を使用した場合の各サンプルから排出された呼気中に含まれる水分量の積算値と各サンプル内に残った水分残量を測定し、その総量から水分損失量を算出し評価した。ポリウレタンフォームの各層別に水分残量を測定した結果を図１１に、各サンプルの水分損失量を比較した結果を図１２に示す。

図１１に示す蓄熱担体素材の各層における水分残量では、塩化カルシウムのみが添加されたサンプルＡでは患者側で、特に第１層に局所的な水分蓄積が見られる。しかし、患者側に塩化カルシウムに代えて塩化ナトリウムを添加したサンプルＢでは水分蓄積が平均化し、局所的な水分増加が防止されているのが分かる。

また、図１２に示す水分損失においても、添加剤として塩化ナトリウムを採用したサンプルＢのほうが少なくなっており、総合的な放湿特性も改善できていることが確認された。

このことから、湿熱交換器において患者側に塩化ナトリウム、回路側に塩化カルシウムを添加する構造は、内部の局所的な水分蓄積を防止し、目詰まりを防ぐだけでなく、放湿効率も改善することが確認できた。

なお、サンプルＡ、Ｂに例示した以外の構成として、患者側に塩化ナトリウムが配置されていれば、図９あるいは図１０に示すように、塩化カルシウム、塩化ナトリウムを配置する蓄熱担体素材の厚さを変化させてもよい。

また、吸放湿性物質として塩化ナトリウムと塩化カルシウムとの混合物を用意して、配置する蓄熱担体素材の位置に対応してその混合比を変化させるようにしてもよい。その時の混合比は患者側で塩化ナトリウムが多く、回路側で塩化カルシウムが多くなるように設定すればよい。

最後に本実施例の効果について述べる。塩化ナトリウムと塩化カルシウムの吸放湿特性を比較すると、吸湿能力は塩化カルシウムが高く、塩化ナトリウムより吸湿量が多い。一方、相対湿度７５％以下で放湿する塩化ナトリウムは、相対湿度５０％でも吸湿してしまう塩化カルシウムに比べ放湿能力に優れる。

これら塩化ナトリウムと塩化カルシウムの吸放湿特性の違いを利用し、従来湿熱交換器用の吸放湿性物質としては全く使用されていない塩化ナトリウムを患者側で担体に配置することで、その部分での放湿能力が向上し、水分蓄積による目詰まりを防止することが可能となる。

＝＝マスクの例＝＝
次に、本発明の一実施例によるマスクについて、図１３Ａ、図１３Ｂを参照して説明する。図１３Ａは本発明の実施例３に係るマスクの構成の一例を示す模式図、図１３Ｂは図１３Ａのマスク本体の模式断面図である。

本実施例のマスク１００は、使用者の口や鼻孔に当てられてその厚み方向に使用者の呼吸気が流通するマスク本体１０１と、マスク本体１０１の両側端部には、それぞれ使用者の耳にかかる耳かけ部１０４とを有する。耳掛け部１０４は、伸縮可能なひも状部材であり、適宜の材料で形成することができる。

マスク本体１０１は略平板形状を有する部材であり、本実施例では、板状の湿熱交換体１０２を、綿布等の外装材１０３で囲み包むように構成している。湿熱交換体１０２は、例えば蓄熱担体素材としてのポリウレタンフォームと、そのポリウレタンフォームに担持された吸放湿材料としての塩化カルシウムを有し、概して可撓性を有する矩形平板形状に形成されている。また、湿熱交換体１０２を直接使用者の口に当てることができる材料及び形状で形成すれば、外装材１０３を省略することができる。

上記の構成によれば、呼気中の熱は蓄熱担体素材であるポリウレタンフォームに蓄積され、呼気中の水分は吸放湿性物質である塩化カルシウムに吸着あるいは吸収されるので、呼気熱のこもりとマスク本体１０１の内側での水分の結露を防止できる。さらに吸気時に呼気から得た熱と水分を吸気中に放出することにより、加温加湿効果を得ることができる。

さらに、湿熱交換体１０２として、蓄熱担体素材の密度、表面積、空孔率、及びセル数の物性から選択した少なくとも一つの物性の値について、前記呼吸用湿熱交換体を通過する呼吸気の流れ方向に沿った勾配を設け、吸気の流れの下流側において、前記密度がより高く、前記表面積、前記空孔率あるいは前記セル数がより低く設定されている呼吸用湿熱交換体を用いれば、湿熱交換器と同様、呼気熱の再生効率を向上させることができる。

また、湿熱交換体１０２を、蓄熱担体素材と吸放湿性物質とを有する呼吸用湿熱交換体であって、前記呼吸用湿熱交換体を構成する前記蓄熱担体素材に添加される前記吸放湿性物質の、添加密度及び吸放湿能力の物性から選択した少なくとも一つの物性の値について、前記呼吸用湿熱交換体を通過する呼吸気の流れ方向に沿った勾配が設けられており、吸気の流れの上流側において、前記添加密度又は前記吸湿能力がより高く、あるいは前記放湿能力がより低く設定されている呼吸用湿熱交換体に変更することによって、水分蓄積による目詰まりを防止することが可能となる。

また、湿熱交換体１０２に、使用者の口及び鼻孔周辺の皮膚に当接する中間部材を設けることができる。この構成によれば、湿熱交換体１０２と使用者の肌の直接接触が無くなり、使用者がマスク１００を装用しているときより快適になる。中間部材として、ガーゼ等の目の粗い綿布及び他の好適な材料を用いることができる。あるいは、外装材１０３を中間部材としても用いてよい。

以上、本願発明を、その実施形態に即して添付図面を参照しながら説明したが、本願発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。また、本願発明の趣旨を逸脱しないいかなる変形例、均等物も本願発明の範囲内のものである。

Claims

吸気の温度と湿度を調整するために、蓄熱担体素材と吸放湿性物質とを有する呼吸用湿熱交換体であって、前記呼吸用湿熱交換体を構成する前記蓄熱担体素材の密度、表面積、空孔率、及びセル数の物性から選択した少なくとも一つの物性の値について、前記呼吸用湿熱交換体を通過する呼吸気の流れ方向に沿った勾配が設けられており、吸気の流れの下流側において、前記密度がより高く、前記表面積、前記空孔率あるいは前記セル数がより小さく設定されている呼吸用湿熱交換体。
吸気の温度と湿度を調整するために、蓄熱担体素材と吸放湿性物質とを有する呼吸用湿熱交換体であって、前記呼吸用湿熱交換体を構成する前記蓄熱担体素材に添加される前記吸放湿性物質の、添加密度及び吸放湿能力の物性から選択した少なくとも一つの物性の値について、前記呼吸用湿熱交換体を通過する呼吸気の流れ方向に沿った勾配が設けられており、吸気の流れの上流側において、前記添加密度又は前記吸湿能力がより高く、あるいは前記放湿能力がより低く設定されている呼吸用湿熱交換体。
前記吸放湿性物質が塩化ナトリウムを含む請求項２に記載の呼吸用湿熱交換体。
患者の気道に連通するチューブが接続される第１接続部と、患者への吸気供給源、及び呼気排出ラインに連結している第２接続部とを有するハウジング内に、請求項１〜３の呼吸用湿熱交換体を設けた湿熱交換器。
使用者の口又は鼻孔の周辺に配置されるマスク本体と、前記マスク本体の対向両外側端から延び出す一対の耳掛け部とを備え、前記マスク本体は、使用者の呼気及び吸気が通過するように、吸放湿性物質を担持している蓄熱担体素材を有する呼吸用湿熱交換機能を備えたマスク。
使用者の口又は鼻孔の周辺に配置されるマスク本体と、前記マスク本体の対向両外側端から延び出す一対の耳掛け部とを備え、前記マスク本体の内部に、請求項１〜３のいずれかに記載の呼吸用湿熱交換体を、前記使用者の呼吸気が前記物性の値に設けた勾配に沿って流れるように設けたマスク。
前記蓄熱担体素材がポリウレタンフォームを含み、その密度が１〜１５０kg/m^３の範囲内である請求項４に記載の湿熱交換器。
前記吸放湿性物質が塩化カルシウム、及び塩化ナトリウムを含み、前記呼吸用湿熱交換器の前記第１接続部側に塩化ナトリウムが、前記第２接続部側に塩化カルシウムが添加されている請求項４の湿熱交換器。
前記蓄熱担体素材がポリウレタンフォームを含む請求項５又は６に記載のマスク。
前記吸放湿性物質が塩化カルシウム、または塩化ナトリウムを含む請求項５又は６に記載のマスク。
使用者の肌と前記呼吸用湿熱交換体とが接触しないように、前記マスク本体の使用者側に接触防止部材を設けた請求項５又は６に記載のマスク。